通信原理第一章PPT

通信原理

樊昌信

第六版Why?InformationAgeInformationSuperhighway目錄（學(xué)習(xí)內(nèi)容）

第一章

緒論第二章信號、信道與噪聲

第三章模擬調(diào)制系統(tǒng)

第四章數(shù)字基帶調(diào)制系統(tǒng)第五章數(shù)字頻帶調(diào)制系統(tǒng)目錄第六章模擬信號的數(shù)字傳輸?shù)谄哒虏铄e(cuò)控制編碼第八章偽隨機(jī)序列第九章同步原理

主要參考書目[1]通信原理及其應(yīng)用，王秉鈞竇晉江張廣森葛方輝，天津大學(xué)出版，2000年8月，￥19*[2]現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理（修訂版），王秉鈞孫學(xué)軍王少勇田寶玉，天大，1999.8，￥26[3]通信概論，吳德本王新允，人民郵電出版社，1994.4，￥14*[4]現(xiàn)代通信原理，徐佩霞黃勝華，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1989[5]通信原理，馮子裘，西北工業(yè)大學(xué)出版社，1990.1[6]通信系統(tǒng)原理，張樹京，上海鐵道學(xué)院，1992，￥5.2[7]通信系統(tǒng)原理習(xí)題集，馮玉珉，北方交通大學(xué)，1992，￥4.0[8]通信系統(tǒng)原理，沈振元等，西安電子科技大學(xué)，1995，￥17.8成績計(jì)算1、考勤：20%2、作業(yè)：20%3、考試：60%，閉卷我的聯(lián)絡(luò)方式：辦公室：南海樓501室手機(jī)mail:minls@163.comThepropertyofthebookandmethodsoflearningit1)Propertyofthebooka.fromeasinesstodifficultyb.fromconcepttoperformanceanalysis2)Methodsoflearningita.readingitagainandagainb.graspingtheimportantconceptc.understandingthebasiccommunicationsystembyderivingsomekeyformula——學(xué)好通信原理離不開數(shù)學(xué)Understand+Remember第一章緒論本章主要內(nèi)容：1、常用的通信術(shù)語2、通信系統(tǒng)的一般模型及各部分的作用3、數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)4、通信系統(tǒng)的分類及通信方式5、通信發(fā)展的歷史及其特點(diǎn)6、信息量及其度量7、通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)1、1緒論1.1通信(communication)的基本概念1、通信:

信息傳輸或交換的過程。 信息的傳遞有兩種類型： 1、時(shí)間上－－信息的儲存（非通信） 2、空間上－－由一地方到另一地方（通信）2、消息（message)和信息(information)消息：

有待于傳輸?shù)奈淖帧⒎?、?shù)據(jù)、語音、圖象等

信息：

按信息論的觀點(diǎn)，信息是指消息中所包含的對受信者有意義的內(nèi)容。如通信前不知道，通信后才知道的東西。消息的有效內(nèi)容,不同消息可有相同內(nèi)容3、信號(signal)：信息的物質(zhì)載體。數(shù)字信號（digitalsignal)：電信號的某個(gè)參量是離散的取值

。模擬信號（analogsignal)：電信號的某個(gè)參量是連續(xù)的取值。凡信號參量的取值是連續(xù)的或取無窮多個(gè)值的，且直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為模擬信號，如電話機(jī)送出的語音信號、電視攝像機(jī)輸出的圖像信號等。模擬信號有時(shí)也稱連續(xù)信號，這個(gè)連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化，或者說在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個(gè)值，而不一定在時(shí)間上也連續(xù)凡信號參量只能取有限個(gè)值，并且常常不直接與消息相對應(yīng)的信號，均稱為數(shù)字信號，如電報(bào)信號、計(jì)算機(jī)輸入/輸出信號、PCM信號等。數(shù)字信號有時(shí)也稱離散信號，這個(gè)離散是指信號的某一參量是離散變化的，而不一定在時(shí)間上也離散模擬信號波形數(shù)字信號波形通信(communication)的基本概念4、波形（waveform):電信號的時(shí)域表現(xiàn)形式

5、通信系統(tǒng)(communicationsystem)：傳遞信息所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)的總稱

模擬信號－－－－－－－》模擬通信系統(tǒng) 數(shù)字信號－－－－－－－》數(shù)字通信系統(tǒng)通信(communication)的基本概念6、點(diǎn)對點(diǎn)通信與網(wǎng)通信通信網(wǎng)：為了完成多用戶中任意兩個(gè)用戶之間信源與信宿之間的通信過程,一般需要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)多用戶通信系統(tǒng)互連的通信體系稱之為通信網(wǎng)。通信網(wǎng)的構(gòu)成

1）終端設(shè)備：電話、電報(bào)、監(jiān)視器（攝像頭）等

2）傳輸設(shè)備：電纜、光纜、微波、衛(wèi)星等

3）交換設(shè)備：程控交換、ATM交換、光交換等

4）協(xié)議和準(zhǔn)則本課程的主要任務(wù)主要介紹信息端到端的傳輸系統(tǒng)，主要討論系統(tǒng)的組成、工作原理和性能指標(biāo)

↑↑↑以功能框的形式表示理論分析數(shù)學(xué)計(jì)算1、2通信系統(tǒng)的組成及其各部分作用一、通信系統(tǒng)的一般模型信息源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備信宿噪聲源發(fā)送端接收端各部分作用1、信息源：把各種可能的消息變成模擬信號、數(shù)字信號信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號，基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始，如語音信號為300~3400Hz，圖像信號為0~6MHz信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻，因而已調(diào)信號又稱頻帶信號2、發(fā)送設(shè)備：

將信源和信道匹配起來，即把信源產(chǎn)生的原 始電信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?、信道：

是信號傳輸?shù)耐ǖ?。可分為有線、無線信道4、接收設(shè)備：基本功能與發(fā)送設(shè)備相反，即從帶有干擾的接 收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號5、信宿：

將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)兩種變換連續(xù)消息與基帶信號的變換基帶信號與頻帶信號之間的變換實(shí)際通信系統(tǒng)中可能還有濾波、放大、天線輻射、控制等過程。由于調(diào)制與解調(diào)兩種變換對信號的變化起決定性作用，而其他過程對信號不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，只是對信號進(jìn)行了放大或改善了信號特性，因而被認(rèn)為是理想的而不予討論。模擬通信的主要特點(diǎn)1）抗干擾能力差

2）不易于保密通信

3）設(shè)備不易于大規(guī)模集成

4）不適應(yīng)飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)通信的要求

5）簡單、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息系統(tǒng)加密器噪聲源解密器信源編碼器調(diào)制器信道解調(diào)器譯碼器信宿發(fā)送端接收端各部分作用1、編碼：信源編碼:

(1)將模擬信號－》數(shù)字信號 (2)降低數(shù)字信號的數(shù)碼率信道編碼：抵抗噪聲、衰落等干擾因素，提高通信的可靠性線路編碼：便于基帶信號系統(tǒng)傳輸數(shù)字通信系統(tǒng)模型發(fā)送端接收端信源信道編碼調(diào)制信道壓縮編碼解調(diào)信宿保密解碼信道解碼壓縮解碼保密編碼噪聲同步信源編碼信源解碼各部分作用2、加密：為了保證數(shù)字信號與所傳信號的安全，可將信號 人為地?cái)_亂3、數(shù)字調(diào)制器：把基帶信號－》頻帶信號，實(shí)現(xiàn)頻譜移4、同步：使收發(fā)兩端的信號在時(shí)間上步調(diào)一致。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步5、數(shù)字復(fù)接：依據(jù)時(shí)分復(fù)用原理，把若干個(gè)低速數(shù)字信 號合并成一個(gè)高速的數(shù)字信號，以擴(kuò)大傳輸 容量和提高傳輸效率模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系區(qū)別：以信道信號為準(zhǔn)，而不是以信息源信號為準(zhǔn)聯(lián)系：模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸 數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸數(shù)字通信系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、抗干擾能力強(qiáng) 2、信道的通融性好 3、可靠性強(qiáng) 4、保密性高 5、便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)系 6、易于集成，造價(jià)低數(shù)字通信系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：1、占用的頻帶較寬 2、設(shè)備較復(fù)雜 3、有量化誤差Whatmustbeconsideredwhenyoudesignacommunicationsystem?1.Selectionoftheinformation-bearingwaveform2.Bandwidthandpowerofthewaveform3.Effectofsystemnoiseonthereceivedinformation4.Costofthesystem1、3通信系統(tǒng)的分類與通信方式一、分類1、按通信的業(yè)務(wù)和用途分類常規(guī)通信：話務(wù)通信電話信息業(yè)務(wù) 語音信箱業(yè)務(wù) 電話智能網(wǎng)業(yè)務(wù) 非話務(wù)通信數(shù)據(jù)通信 圖象通信控制通信：遙測、遙控等通信系統(tǒng)的分類2、按調(diào)制方式分類根據(jù)是否采用調(diào)制基帶傳輸：將未經(jīng)調(diào)制的信號直接傳輸頻帶傳輸：對各種信號變換方式后傳輸調(diào)制的作用：1、便于信息的傳輸 2、實(shí)現(xiàn)信道的復(fù)用 3、改變信號占用的帶寬 4、改善系統(tǒng)性能

表1-1常見的調(diào)制方式調(diào)制方式 用途連續(xù)波調(diào)制

線性調(diào)制 常規(guī)雙邊帶調(diào)制 廣播 抑制載波雙邊帶調(diào)幅立體聲廣播

單邊帶調(diào)幅SSB 載波通信、無線電臺、數(shù)傳

殘留邊帶調(diào)幅VSB 電視廣播、數(shù)傳、傳真 非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM 微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播

相位調(diào)制PM 中間調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制 幅度鍵控ASK 數(shù)據(jù)傳輸 相位鍵控 數(shù)據(jù)傳輸頻率鍵控?cái)?shù)據(jù)傳輸續(xù)表

調(diào)制方式

用途

脈沖數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制

相位鍵控PSK、數(shù)據(jù)傳輸、DPSK、QPSK等數(shù)字微波、空間通信

其他高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK等數(shù)字微波、空間通信脈沖模擬調(diào)制

脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測

脈寬調(diào)制PDM(PWM)中間調(diào)制方式

脈位調(diào)制PPM 遙測、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制

脈碼調(diào)制PCM 市話、衛(wèi)星、空間通信

增量調(diào)制DM 軍用、民用電話

差分脈碼調(diào)制DPCM 電視電話、圖像編碼

其他語言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話通信系統(tǒng)的分類3、按信號特征分類 模擬通信系統(tǒng)、 數(shù)字通信系統(tǒng)4、按傳輸媒介分類 有線通信系統(tǒng) 無線通信系統(tǒng)5、按傳輸信號的復(fù)用方式分類 頻分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用 碼分復(fù)用 波分復(fù)用通信方式1、按消息傳輸?shù)姆较蚺c時(shí)間關(guān)系分： 單工通信：消息只是單方向傳輸 半雙工通信：雙方都能收發(fā)信息，但不能同時(shí)進(jìn)行 全雙工通信：雙方可同時(shí)收發(fā)信息2、按有無交換分： 點(diǎn)對點(diǎn)通信：作為專線通信使用，不經(jīng)濟(jì) 網(wǎng)通信：作為公用通信使用，效益高由于通信網(wǎng)的基礎(chǔ)是點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，所以本課程的重點(diǎn)放在點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信上3、按數(shù)字信號排列順序分在數(shù)字通信中，按數(shù)字信號代碼排列的順序可分為并行傳輸和串行傳輸。并行傳輸是將代表信息的數(shù)字序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸。并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是節(jié)省傳輸時(shí)間，但需要傳輸信道多，設(shè)備復(fù)雜，成本高，故較少采用，一般適用于計(jì)算機(jī)和其他高速數(shù)字系統(tǒng)，特別適用于設(shè)備之間的近距離通信。串行傳輸是數(shù)字序列以串行方式一個(gè)接一個(gè)地在一條信道上傳輸。通常，一般的遠(yuǎn)距離數(shù)字通信都采用這種傳輸方式。并行和串行通信方式示意圖

(a)并行傳輸；(b)串行傳輸1、4通信技術(shù)的發(fā)展概況及其特點(diǎn)＊通信的發(fā)展古代通信的起源近代通信的發(fā)展1、4通信技術(shù)的發(fā)展概況及其特點(diǎn)一、近代通信技術(shù)發(fā)展簡史 1838年－－有線電報(bào) 1876年－－電話 1896年－－無線電報(bào) 1918年－－調(diào)幅無線電廣播 1936年－－調(diào)頻無線電廣播 1938年－－電視（黑白）

1940年——1945年：微波、雷達(dá) 1958年－－第一顆通信衛(wèi)星發(fā)射近代通信技術(shù)發(fā)展簡史1960－1970－－彩電、計(jì)算機(jī)1970－1980－－商用衛(wèi)星通信等1980以后：綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)21世紀(jì)：全光網(wǎng)二、通信技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)通信技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)1、模 數(shù)2、無線 有線★1、5信息及其度量*制定度量方法考慮的原則 貨物 消息 貨運(yùn)量 信息量 有多種 有多種 和種類無關(guān) 和類型無關(guān) 和貴重程度無關(guān)和重要程度無關(guān)總量是單件獨(dú)立總量是單件消息貨運(yùn)量之和 的信息量之和制定度量信息的方法：

#消息“量”信息量

#例：“明天降雨量將有一毫米”--信息量小 “明天降雨量將達(dá)到一米”--信息量大 “明日太陽將從東方升起”--信息量零1、5信息及其度量任何信源產(chǎn)生的輸出都是隨機(jī)的，也就是說，信源輸出是用統(tǒng)計(jì)方法來定性的。對接收者來說，只有消息中不確定的內(nèi)容才構(gòu)成信息。信息量與消息的種類無關(guān)，與消息的重要性無關(guān)，信息含量只是對消息中這種不確定性的度量。根據(jù)概率論知識，事件的不確定性可用事件出現(xiàn)的概率來描述。消息出現(xiàn)的概率越小，消息中包含的信息量就越大。1、5信息及其度量1）、消息中含有的信息量I是出現(xiàn)該消息的概率P(x)的 函數(shù)

I＝I（P(x)）2）、消息中所含的信息量I與出現(xiàn)該消息的概率P(x)成反比 當(dāng)P(x)＝1時(shí)，I＝0；

當(dāng)P(x)＝0時(shí)，I＝∞；信息及其度量3）若干個(gè)互相獨(dú)立事件構(gòu)成的消息，所含信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和，也就是說，信息具有相加性：I[P(x1)P(x2)……]＝I[P(x1)]+I[P(x2)]+……綜上所述：a=2，則信息量度量的單位為：bita＝e，則信息量度量的單位為：nita＝10，則信息量度量的單位為哈特萊1、離散消息的信息量1）等概率情況：設(shè)要傳遞M個(gè)消息，且每一消息出現(xiàn)的概率相等：例1–1已知二進(jìn)制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字0或1，則信源每個(gè)輸出的信息含量為Question:已知四進(jìn)制離散信源（0，1，2，3），獨(dú)立等概發(fā)送，求傳送每個(gè)符號的信息量。P=1/4的信息量為2比特P=1/8的信息量為3比特P=1/M的信息量為log2M(bit)若M是2的整冪次，則2）非等概率情況設(shè)離散信息源是一個(gè)由n個(gè)符號組成的符號集合：集合X中，包含該信源包含的所有可能輸出的消息，集合P中包含對應(yīng)消息的概率密度，各個(gè)消息的輸出概率總和應(yīng)該為1。則每一個(gè)符號所包含的信息量分別為：-log2P(Xi)例：設(shè)天氣預(yù)報(bào)有兩種消息，晴天和雨天，出現(xiàn)的概率分別為1/4和3/4，我們分別用a1來表示晴天，以a2來表示雨天，則我們的信源模型如下：

2、離散信息源的平均信息量－－熵平均信息量：信源中每一個(gè)符號所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的M個(gè)符號的離散信息源的平均信息量為：H(x)＝P(a1)[-Log2P(a1)]＋P(a2)[-Log2P(a2)]＋…＋P(an)[-Log2P(an)]信息熵具有以下兩種物理含義：1、表示信源輸出前信源的平均不確定性2、表示信源輸出后，每個(gè)符號所攜帶的平均信息量

例1-2一個(gè)信息源由4個(gè)符號0、1、2、3組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個(gè)符號的出現(xiàn)都是獨(dú)立的，試求某個(gè)消息：201020130213001203210100321010023102002010312032100120210的信息量。解：此消息中，0出現(xiàn)23次，1出現(xiàn)14次，2出現(xiàn)13次，3出現(xiàn)7次，共有57個(gè)符號，故該消息的信息量為：每個(gè)符號的算術(shù)平均信息量為若用熵的概念來計(jì)算，由式（1.3-5）得則該消息的總信息量為：信息熵的基本性質(zhì)性質(zhì)1：非負(fù)性：H(X)≥0由于0≤pi≤1,所以logpi≤0，-logpi≥0，則總有H(X)≥0性質(zhì)2：對稱性：根據(jù)加法交換律可以證明，當(dāng)變量交換順序時(shí)熵函數(shù)的值不變。信源的熵只與概率空間的總體結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與個(gè)概率分量對應(yīng)的狀態(tài)順序無關(guān)信息熵的基本性質(zhì)性質(zhì)3：確定性；當(dāng)信源X的信源空間[X，P]中，任一個(gè)概率分量等于1，根據(jù)完備空間特性，其它概率分量必為0，這時(shí)信源為一個(gè)確知信源，其熵為0。如果一個(gè)信源的輸出符號幾乎必然為某一狀態(tài)，那么這個(gè)信源沒有不確定性，信源輸出符號后不提供任何信息量。信息熵的基本性質(zhì)性質(zhì)4：極值性上式表明，對于具有q個(gè)符號的離散信源，只有在q個(gè)信源符號等可能出現(xiàn)的情況下，信源熵才能達(dá)到最大值，這也表明等概分布的信源的平均不確定性最大，這是一個(gè)很重要的結(jié)論，稱為最大離散熵定理例：對于一個(gè)二元信源

H(X)=H(1/2,1/2)=log2=1bit1、6通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1、有效性－－消息的傳輸速度2、可靠性－－消息的傳輸質(zhì)量3、適應(yīng)性－－環(huán)境使用的條件4、標(biāo)準(zhǔn)性－－元件的標(biāo)準(zhǔn)性、互換性5、經(jīng)濟(jì)性－－成本是否最低6、保密性－－是否便于加密7、維護(hù)性－－是否便于使用、維護(hù)1、6通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有效性是指在給定信道內(nèi)所傳輸?shù)男畔?nèi)容的多少，或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}；而可靠性是指接收信息的準(zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。這兩個(gè)問題相互矛盾而又相對統(tǒng)一，通常還可以進(jìn)行互換模擬通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)1、有效性－－用有效傳輸